allgemeine geologie 1
DESCRIPTION
Vorlesung Allgemeine Geologie, Prof. Dr. Eckart Wallbrecher, Sommer-Semester 2005TRANSCRIPT
Vorlesung Allgemeine Geologie
Sommer-Semester 2005Mo, Di, Mi 8.15 – 9.00 Uhr
Hörsaal 06.03
Prof. Dr. Eckart Wallbrecher
Lehrbücher der Allgemeinen Geologie
2) Press & Siever (2001)Allgemeine Geologie, Einführung in das System Erde (3. Auflage)
Spektrum Akademischer Verlag1
Stellung der Geologie in den NaturwissenschaftenNachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie MathematikDynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung, Atomphysik tation Modelle
Nachbar- und Hilfswissenschaften:Physik Chemie Biologie Astronomie MathematikDynamik, Stoffum- Fossilien Frühzeit der Quantifizie-Kinematik wandlungen Sedimen- Erde rung, Atomphysik tation Modelle
Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysikGeochemiePaläontologiePetrologieMineralogieGeomorphologie
Erdwissenschaften:feste Erde Atmosphäre HydrosphäreGeologie Meteorologie OzeanographieGeophysikGeochemiePaläontologiePetrologieMineralogieGeomorphologie
Geologie:
Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,
historisch Historische Geologie
2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie
Verschiedene Forschungsansätze:1) genetisch,
historisch Historische Geologie
2) kausalanalytisch Allgemeine Geologie
Allgemeine Geologie
Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse
Herkunft der Kräfte:
Aus dem Erdinneren Endogene Prozessez.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)Gebirgsbildung
Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation
Forschungsziel:Verstehen der geodynamischen Prozesse
Herkunft der Kräfte:
Aus dem Erdinneren Endogene Prozessez.B. Wärmehaushalt, WärmetransportGeotektonik (Plattenbewegungen)Gebirgsbildung
Von außen (von der Sonne) Exogene Prozessez.B. Verwitterung, Sedimentation
Historisch wichtige Publikationen
James Hutton (1726 – 1797)
1788: Deutung des Granites aus Schmelze1788: Deutung des Granites aus Schmelze
Erkennen von Zeitlückenin der Sedimentation (Diskordanzen)
Erkennen von Zeitlückenin der Sedimentation (Diskordanzen) Siccar Point SW Edinburg
The Present is the Key to the Past
Begründer der modernen Geologie
Diskordanz
Herkunft der Energie:
Exogen: Solarkonstante 2min94.1
cmcal⋅
Endogen : Erdwärme (Geothermik)a) primordialb) neu entstehend
Endogen : Erdwärme (Geothermik)a) primordialb) neu entstehend
Wärme steuert geodynamischeund geochemische Prozesse
Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)
Magmatismus
Metamorphose
Tektonische Prozesse (Plattenbewegung)
Magmatismus
Metamorphose
Das SonnensystemDas Sonnensystem
Größenvergleich der Planeten
www.blinde-kuh.de/weltall/
Die neun Planeten des Sonnensystems
http\\astronomie-sonnensystem.de/system.htm
Das Sonnensystem
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)
Stellung der Erde im Planetensystem
354cm
g≤≤ ρ
37.17.0cm
g≤≤ ρ
Gemeinsamkeiten der Planeten:
Bahnen liegen in einer Ebene,gleiche Umlaufrichtung,
gleiche Rotationsrichtung
Bahnen liegen in einer Ebene,gleiche Umlaufrichtung,
gleiche Rotationsrichtung
Die Keplerschen Gesetze:
1.) Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet.
2.) Ein von der Sonne zu einem Planeten gezogene Strahl (Radius-Vektor) überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
3.) Die Quadrate der Umlaufzeiten verschiedener Planeten verhalten sich zueinander wie die Kuben der halben großen Achsen ihrer Bahnen.
1.) Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet.
2.) Ein von der Sonne zu einem Planeten gezogene Strahl (Radius-Vektor) überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
3.) Die Quadrate der Umlaufzeiten verschiedener Planeten verhalten sich zueinander wie die Kuben der halben großen Achsen ihrer Bahnen.
DTDT
3
3
2
2
Mars
Erde
Mars
Erde
aa
TT
=
Entfernung von der Sonne
Die Titius-Bode-Reihe ( )nE 234101
⋅+⋅= 3,2,1,−∞=n
Jeder Planet ist doppelt soweit von der Sonne entfernt,wie der nächste innere
Jeder Planet ist doppelt soweit von der Sonne entfernt,wie der nächste innere
Sonn
e Mer
kur
Venu
s
Erde
Mar
s
Physikalische Eigenschaften
Die großen Planeten erzeugen 99% des Drehimpulses
Die großen Planeten erzeugen 99% des Drehimpulses
ri
mi ∑ ⋅⋅=n
ii rmD1
2ω
Theorien zur Entstehung des Sonnensystems
Theorie der stofflichen Einheit: G. Galilei (1564 – 1642)
Theorie der stofflichen Einheit: G. Galilei (1564 – 1642)
Kant – Laplacesche TheorieImmanuel Kant, 1755
Pierre Simon Laplace, 1796
Urnebel (nebula)
Kant – Laplacesche TheorieImmanuel Kant, 1755
Pierre Simon Laplace, 1796
Urnebel (nebula)
Entstehung des Sonnensystems
http\\astronomie-sonnensytem.de/system.htm
Die Nebula - Hypothese
Langsam rotierende WolkeAus Gas und Staub
Rotierende Scheibe, MaterieKonzentriert sich im Mittelpunkt
Bildung der Protosonne und Ringförmiger Materieansammlung
Verdichtung der Ringe zu Planeten
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Akademischer Verlag, 1995)
Kollisions-Hypothese
George Louis Leclerq de Buffon, 1749George Louis Leclerq de Buffon, 1749
Es kondensieren:
ProtosonneProtosonne
ProtoplanetenProtoplaneten
MeteoritenMeteoriten
Typen von Meteoriten
www.wappswelt.de/tnp/nineplanets/meteorites.html
Olivin, Proxen
terrestrisch
+ Kohlenstoff
Heutige Vorstellung
Neo – Kant – Laplacesche - TheorieNeo – Kant – Laplacesche - Theorie
Entstehung des Planetensystems aus Planetesimalen(Partikel von 15 – 20 km Durchmesser, die zunächstkalt und undifferenziert sind.)Die Planetesimale entsprechen in ihrer Größe etwaden Partikeln des Asteroiden-Gürtels
Entstehung des Planetensystems aus Planetesimalen(Partikel von 15 – 20 km Durchmesser, die zunächstkalt und undifferenziert sind.)Die Planetesimale entsprechen in ihrer Größe etwaden Partikeln des Asteroiden-Gürtels
Bildung von Planetesimalen
www.psi.edu/projects/planets/planets.html
Die Entwicklung des Sonnensystems aus Planetesimalen
Planetesimale
Protoplaneten Planeten
Umgezeichnet nach Ozima 1987
Proto-sonne
Computer-Simulation
100 Planetesimale auf Bahnenum die Sonne (dreidimensional).Die Masse entspricht der Masse aller terrestrischen Planeten.
Nach 30.2 Ma sind 22 größereKörper entstanden. Die Um-laufbahnen sind elliptisch
Aus Wetherill (Spektrum der Wissenschaft, 1984
Ausgangszustand der Protoerde
kalt
undifferenziert
durch Akkretion entstanden
Energiequellen:primordial:
Stoßenergie
Gravitation (Verdichtung)
neu entstehend:Radioaktivität
Nach Press & Siever (Spektrum, Akademischer Verlag, 1995)
Beispiel für Stoßenergie:Ein Eisenmeteorit von 1m Durchmesser wiegt ca. 4 t
sec30 kmv =
Eine realistische Geschwindigkeit ist
(Umlaufgeschwindigkeit der Erde)
Die kinetische Energie beträgt:2
2vmEkin =
Nmmkg 112
22 1018
sec30000
24000
⋅=⋅
=
MWh3600101018
6
11
⋅⋅
=
MWh31021
⋅=
= 500 MWh= 500 MWh
Beginnende Differenzierung
500 1000 1500 2000 2500
1000
2000
3000
Tiefe
Tem
pera
tur [
°C]
Temperatur bei 0 Jahren
Schmelzkurve von Eisen
nach 500 Ma
nach 1 Ga
Nach 1 Ga beginnt Eisenzu schmelzen
0 Jahre : Akkretion und Verdichtung : Temperatur bis 1500°C500 Ma später : durch Radioaktivität : Temperatur bis 2000°CNach 1 Ga : in 400-800 km Tiefe Berührung mit der Schmelz-kurve von Eisen: Bildung eines Eisen-Kerns
0 Jahre : Akkretion und Verdichtung : Temperatur bis 1500°C500 Ma später : durch Radioaktivität : Temperatur bis 2000°CNach 1 Ga : in 400-800 km Tiefe Berührung mit der Schmelz-kurve von Eisen: Bildung eines Eisen-Kerns
Umgezeichnet nach Press & Siever, 1986
Entstehung des Schalenbaus der Erde
Bildung des Erdkerns Heutiger Aufbau der Erde
Aus Press und Siever (Spektrum, Lehrbücher), 1995
Aufbau der Erde
www.solarviews.com/earthint.htm
Die einzelnen Schalen der Erde
0-35
-135-235
-400
-1500
-2885
-5155
-6370
Oberfläche
}} }
}
}}}}
Oberer Mantel
Übergangszone
Unterer Mantel
Äußerer Kern
Innerer KernMittelpunkt
KrusteLithosphäre
Asthenosphäre
km
Relative Häufigkeit der Elemente
Gesamterde ErdkrusteAus Press & Siever (Spektrum Lehbücher), 1995
Seit wann?
Alter der Erde und der Planeten: 4.56 GaTerrae des Mondes : 4.55 Ga Älteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga
Alter der Erde und der Planeten: 4.56 GaTerrae des Mondes : 4.55 Ga Älteste Gesteine (Isua-Gneise): 3.8 Ga
Wie ist die Verteilung fest – flüssig?Diese Frage läßt sich mit dem Studium der Seismizität beantworten
Kompressions-oder Longitudi-nalwellen(Primärwellen)
Dieser Wellentypkann auch Flüssig-keiten durchdringen
Scher- oder Trans-versalwellen(Sekundärwellen)
Dieser Wellentypkann Flüssigkeiten nicht durchdringen
Umgezeichnet nach Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Ausbreitung von P- uns S-Wellen
S-Wellen hören an der Grenze zum äußeren Erdkern auf.Hieraus kann man schließen, daßdieser flüssig sein muß.
Verlauf der P-WellenDie Schattenzone ist derBereich, in den die P-Wellennicht gelangen, weil sie vom Kern abgelenkt werden
Aus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Zustände der Erdschalen:
Innerer Kern : festÄußerer Kern: flüssigMantel : festAsthenosphäre: plastischLithosphäre: starr
Wärmeleitfähigkeit
Gestein ist ein sehr schlechterWärmeleiter
Ccmcalbis
°=
sec015,0003,0λ
Konvektionswalzen
Aus Siever (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Das Magnetfeld der Erde
Das Magnetfeld entsteht durch einen Dynamoaus innerem Kern (Eisen, fest) und Konvekti-onen im äußeren Kern (flüssig)
Aus Jeanloz (Spektrum), 1987
Die äußeren Schalen der Erde
Petrologie von Kruste und Mantel
Kruste
Mantel
kontinental: GranitOrthoklas KAlSi3o8Albit NaAlSi3O8Quarz SiO2
ozeanisch: Basalt Anorthit CaAl2Si2O8Albit NaAlSi3O8
Olivin (Mg,Fe)2SiO4Pyroxen Mg2Si2O6
Peridotit
Konvektion bewirkt chemische Zonierung
Mantel
Kruste
Konvektion
Diffusion der leichtenund großen Elemente
in die Kruste
Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)
K, Rb, U, Th
Inkompatible Elemente:Large Ion Lithophiles (LIL-Elemente)
K, Rb, U, Th
Verteilung der Radioaktivität
kontinentale Kruste
ozeanische Kruste
oberer Mantel
4
0.5
0.02
U
13
2
0.06
Th
4
1.5
0.02
K
ppmWärmeJoule/(cm Jahr)3
67 x 10-6
21 x 10-6
0.21 x 10-6
Die Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriertDie Radioaktivität ist in der Erdkruste konzentriert
Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.Depleted mantle
Der obere Erdmantel ist an den LIL-Elementen verarmt.Depleted mantle
Zusammensetzung von Mantelgesteinen
Hochmeta-morphesGestein
ArchäischesMantelgestein
HeutigesMantelgestein
Meteoriten
Nach MCKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Übergangszonen im oberen Mantel
Nach McKenzie (Spektrum der Wissenschaft), 1987
Entstehung der Atmosphäre und Hydrosphäre
Exhalation der VulkaneAus Press & Siever (Spektrum Lehrbücher), 1995
Herkunft des Wassers
Große Mengen Wasser sind in Mineralen der Erdkruste gebunden,
z.B. Glimmer KAl3Si3O10(OH)2
Große Mengen Wasser sind in Mineralen der Erdkruste gebunden,
z.B. Glimmer KAl3Si3O10(OH)2
Entwicklung der Atmosphäre
Atm
osph
äre
unbe
kann
t
4.5 4 3 2 1Milliarden Jahre
100
75
50
25
0Proz
ent d
er G
ase
in d
er A
tmos
phär
e
Methan, Ammoniak
Stickstoff
Kohlendioxid
Wasserdampf
Sauer-stoff
Die Uratmosphäre
Wahrscheinlich reduzierend
CO2CH4NH3H2O
Wahrscheinlich reduzierend
CO2CH4NH3H2O
Hieraus können sich Aminosäuren gebildet haben.
Hieraus können sich Aminosäuren gebildet haben.
Banded Iron Formation (Itabirite)
Banded Iron Formation (BIF), Kola-Halbinsel, Russland
Radioaktiver ZerfallRadioaktiver Zerfall
wichtige radioaktiveIsotope:
235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K235U, 238U, 232Th, 87Rb, 40K
Strahlungsarten
α− Strahlung: 2 Protonen + 2 Neutronen (He-Kerne)β - Strahlung: Elektronenγ- Strahlung: elektromagnetische Wellen
Zerfallgesetz:
HTeNN λ−⋅= 0
0
2HTe ⋅= λ2
693.02ln ≈=⋅ HTλ
teNN λ−⋅= 0( λ = Zerfallskonstante )
20N
N =Halbwertszeit ( TH ) :
Indirekter Zerfall:
920882
23290
920682
23892
920782
23592
109.13,
105.4,
10713.0,
⋅=→
⋅=→
⋅=→
H
H
H
TPbTh
TPbU
TPbU
Direkter Zerfall:Neutron Proton + e- (ß-Zerfall)
94020
4019
108738
8737
1047.1,
1088.4,
⋅=+→
⋅=+→−
−
H
H
TeCaK
TeSrRb
Proton + e- Neutron (inverser ß-Zerfall)940
184019 1029.1, ⋅=−→ −
HTeArK2 Protonen + 2 Neutronen (α−Zerfall)
1114360
14762 1006.1, ⋅=+→ HTNdSm α
Altersmessungen mit direktem Zerfall:
N0 = Anzahl der Mutterisotope zu BeginnD = Anzahl der Tochterisotope nach der Zeit tN = Anzahl der Mutterisotope nach der Zeit t
)1(
)(0
−=
+=
+=
+=−
t
t
t
eNDDNNeeDNN
DNN
λ
λ
λ
Ausgangsformel für Altersdatierung
Altersdatierungen: Die Isochronen-Methode:Rb/Sr (Th = 4.88 x 1010 )
Ausgangsformel: 1( −= teND λ )
Massenspektrometer mißt Verhältnisse, deshalbbeziehen auf das stabile Sr86
)1(86
87
086
87
86
87
−+==
t
theutee
SrRb
SrSr
SrSr λ
IsochroneSr
Sr
87
8787
86
8686
SrSr
RbSrt = 0} (Sr-Initial)
a 1tan −= teλα
)1(870
8787 −+= =t
theute eRbSrS λr
Chondriten-Isochrone
Probennahme für Rb/Sr-Datierung
Alter der Metamorphose
Ch. Hauzenberger, 2003
Indirekter Zerfall: Concordia-Kurve
Altersmessung (U/Pb-Methode):
UPb
238
206
UPb
235
207
Concordia
Discordia
Unterer Einstichspunkt(Alter der Metamorphose)
Oberer Einstichspunkt(Alter des Gesteins)
Zirkon-Alter
Ch. Hauzenberger, 2003
SagallaHills
Ar/Ar-Abkühlungsalter von Amphibolen
Erdwärme (Geothermik)Erdwärme (Geothermik)
Arten des Wärmetransportes:Wärmeleitung (Konduktion)
Ccmcal
°⋅⋅≤≥
sec015.0003.0 λ
Advektion(Aufstieg von Schmelzen)
Advektion(Aufstieg von Schmelzen)
Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)
Konvektion(walzenförmiger Wärmetransport)
Der Temperatur-Gradient
Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung derTemperatur mit der Tiefe an.
Der Temperatur-Gradient gibt die Änderung derTemperatur mit der Tiefe an.
ΔΤΔr [°C/m ; °C/km]
Messung des Temperatur-Gradienten
Stollen 1
Stollen 2
T1
T2
BergwerkSc
hach
t
Δr
Gradient =
T2 –T1Δr
Messung des Gradienten in Sedimenten
Aus Press & Siever, 1986
Mittlere Werte:
Mittelwert 30°C/kmMittelwert 30°C/km
Geothermische Tiefenstufe33m/°C
Geothermische Tiefenstufe33m/°C
Temperaturgänge:täglich 1mjährlich 25mPermafrost 600m
Temperaturgänge:täglich 1mjährlich 25mPermafrost 600m
Der WärmeflußWärmestromdichte
Energie
Fläche x Zeit
Heat Flow Unit (HFU)Heat Flow Unit (HFU)
1 HFU = 10-6 calcm2 x sec
= 42 mW/m2
Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m2Mittelwert: 1.5 HFU ~ 60 mW/m2
Messung:ΔΤ
HF =Δr
x λ
Beispiel: In einem Bergwerk wurde gemessen:
30 °C / 1 km = 30/105 °C/cm
Die Wärmeleitung des Gesteins wurde im Labor bestimmt:λ = 0.006 cal / (cm sec °C)
HF = 105
x103 cm2 sec
= 1.8 HFU
30 6 cal
Wärmefluß in Europa
Stockholm
Bukarest
Paris
Algier
Edinburg
Schottland,Hebriden
BaltischerSchild
PannonischesBecken, Balkan
Alboran-See Ost-
Ägäis
Geothermische Tiefenstufen:niedrig:
junge Vulkanez.B. Santorini 7 – 10 m/°C
tertiäre Vulkanez.B. Urach Schwäbische Alb
14.3 m/°C
hoch:alte Schildez.B. Kanada 125 m/°C
Wärmefluß:alte Schilde 0.9 – 1.1 HFUTiefsee < 1.2 HFUozeanische Rücken > 2 HFU
3D-SeismikRot : heißBlau: kalt
150 km Tiefe150 km Tiefe
350 km Tiefe350 km Tiefe
550 km Tiefe550 km Tiefe